Введение к работе
Актуальность работы. В связи с интенсивным хозяйственном освоением Уральского региона большую актуальность рнобрела проблема оценки и прогноза техногенных измене-пй геологической среды. Особенно велико влияние на этот роцесс горі'олобьіваїощих комплексов. Добыча многих видов пнерального сырья на Урале ведется уже более 200 лет; в ре-поне известны несколько тысяч месторождений полезных ис-опаемых и рудопроявлепий. Сейчас глубина шахт на Урале остигает 1400—1600 м, карьеров до 350—-430 м. В ближай-іем будущем глубины освоения шахтами достигнут 2000 м, арьерамн — 500—700 м.
Добыча и переработка горнорудного сырья приводят к су-іественному изменению природной среды, геологических про-ессов, земельных и водных ресурсов. Развитие Уральского егнонэ уже сейчас наталкивается на целый ряд серьезных ооблем экологического порядка, многие из которых обуслов-гпь: техногенными изменениями геологической среды, требу-т оценки и прогнозирования этих изменений с целью опти-нзацин природопользования. Все это предопределяет акту-тьность данной работы, поскольку систематического анализа прогнозирования последствий деятельности горнодобываю-еп промышленности на состояние геологической среды реги-іа не проводилось.
Цель исследований — разработка научных основ оценки :хпогенпых изменений геологической среды на базе исполь-жания геофизической информации в комплексе с традицион-згмп методами рудничной геологии, что позволяет расши-іть информационную базу прогнозов и повысить их обоенс-шность.
Основная идея — прямое использование геофизической нн-эрмацин как индикатора изменения состояния и свойств гео-)гнческой среды для прогноза распространения техногенных імененнй и создание на этой основе прогностической модели, которую входят переменные с различными те'мпами изменена.
Задачи исследования заключались в следующем:
-
анализ связей между горно-геологическими и геофизическими показателями, прежде всего между трещиноватостью, изменением напряженного состояния, физико-механическими свойствами пород на различных месторождениях Урала, и сейсмоакустическими и электрическими параметрами среды;
-
выявление локальных и региональных закономерностей техногенных изменений геологической среды;
-
разработка методологии применения геофизических методов как инструмента изучения рудничной геологии и прогноза техногенных изменений среды;
-
разработка инженерно-геологической модели техногенных изменений среды и соответствующей ей геофизической модели;
-
разработка схемы инженерно-геологического районирования Урала с учетом современной тектоники как основы прогнозных -построений;
-
разработка и апробация нетрадиционных методик оценки и прогноза техногенных изменений геологической среды на ряде эксплуатируемых месторождений Урала.
Объекты и методы исследований. В основу работы положены материалы о горно-теологических условиях, геофизических нолях и изменениях геологической среды Уральского региона, полученные в ходе экспедиционных работ с 1973 по 1990 г. при личном участии автора.
Исследования детально проведены в Домбаровском, Уча-линском, Тагило-Кушвинском и Качканарском районах, где действуют крупные горнодобывающие комплексы (ГДК). Обследовано состояние геологической среды на Северном, Среднем и Южном Урале (районы Североуральска, Карпниска, Кизела, Губахи, Соликамска, Красноуфимска, Наталышска, Кировграда, Дегтярки, Буланаша, Артемовского, Екатеринбурга, Режа, Уфалея, Карабаша, Бакала, Сатки, ЮУБРа, Коркина, Магнитогорска, Сибая, Гая, Орска, Медногорска), в том числе на 26 крупных разрабатываемых месторождениях железных, медных и никелевых руд, угля и флюсовых известняков.
В работе использованы также фондовые материалы ГОКов и ПГО Уралгеология, Оренбурггеологпя, Башкпргеология и Центрогеология.
Методологической базой работы являются исследования в области рудничной геологии, инженерной геологии месторождений и геологического прогнозирования. Изучался основной круг компонентов геологической среды, которые определяют характер техногенных изменений, и их связи с физическими полями. При натурном изучении техногенных изменений использован геофизический подход — экспериментальное изучение состояния среды в полевых условиях на ряде месторожде-
ти с использованием электро- и сейсморазведки в наземном : подземном вариантах, а также анализ, обобщение и сопо-тавленне фондовых геофизических материалов других мето-,ов исследования и различных масштабов, до регионального ключительно. В работе широко использовано математическое юделирование.
Основная модель, использованная в работе, — это инже-ерно-геологическая модель среды, в которой распространяется геомеханнческие и гидрогеологические возмущения, обу-ловленные изъятием горной массы и воды. При этом индика-ором состояния среды и распространения возмущений служат физические поля, которые могут «работать» в том же асштабе, что и указанная инженерно-геологическая модель. Існовпой метод локального прогноза — моделирование, экстраполяция тенденций и экспертные оценки; основной метод сгионального прогноза — экстраполяция локальных прогноив и экспертные оценки.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Методология изучения, оценки и прогноза техногенных зменеиий с использованием режимных геофизических наблю-еннн, позволяющих определять ряд специальных характери-гик геологической среды — показателей структуры и спек-ралыюго состава геофизических полей различной природы.
-
Закономерности изменения структуры и спектрального эстава геофизических полей в области техногенного воздей-твня и их связь с формированием зон техногенных изменении ^логической среды. В зонах техногенных изменений проис-одит спектральная перестройка физических полей с повыше-ием доли белого шума и появлением дополнительных высо-очастотных компонентов спектра.
3. Формирование квазппериодических диссипативных
груктур в импактной зоне техногенных изменений нроисхо-
нт за счет стока массы (изъятия горной массы, воды или
ефти), а на периферии — главным образом за счет измсне-
ия гидродинамики среды; поэтому предлагаемая прогнозная
одель является двухмасштабной, учитывающей скорость
медленных» геомеханических изменений (развитие зон обру-
ения, сдвижения, изменения свойств массива), п скорость
Зыстрых» гидродинамических изменений среды.
4. Результаты прогнозов изменения геологической среды в
ральском регионе; установлено, что при сохранении суще-
гвующих тенденций природопользования площади активного
появления техногенной геодинамики могут возрасти в реги-
іе за период до 2010 г. почти вдвое.
Научная новизна диссертации заключается в том, что: разработаны основные принципы оценки и прогноза тех-эгенных изменений геологической среды на базе комплекс-
ного использования геофизической и традиционной горно-геологической информации;
на примере Учалинского, Нижнетагильского и Качканар-ското районов исследованы механизм формирования и структура зон техногенных изменений среды и геофизических по-" лей при разработке месторождений;
разработаны и параметрически исследованы двухмасштаб-пые геолого-геофизические модели техногенных изменений, которые можно использовать в качестве инструмента прогнозирования в рудничной теологии;
для целей специального районирования исследованы напряженно-деформированное состояние больших участков земной коры, характеристики многомерных распределений и пространственная изменчивость физических полей Урала (геомагнитного, гравитационного, рельефа, градиентов скоростей вертикальных тектонических движений).
Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Результаты исследований непосредственно использовались при оценке запасов ряда медно-колчедапных месторождений Урала, вошли в отчеты с подсчетом запасов для ГКЗ. Выполнена оценка горно-геологических условий и последствий разработки 8 железорудных и медно-колчедан-ных месторождений Урала, в том числе для таких крупных ГД'К, как Учалннский, Нижнетагильский и Качканарсюш. Полученные результаты использовались при проектировании разработки месторождений.
Разработана и доведена до практического использования методика оценки техногенных изменений геологической среды с использованием данных инженерной геофизики, позволяющая повысить достоверность прогнозов.
Составлены методические рекомендации по инженерно-геологическому изучению рудных месторождений Урала (в соавторстве с С. Г. Дубейковскпм, М. П. Бучкиным), используемые работниками геологической службы ГОКов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и региональных конференциях и симпозиумах, в том числе «Инженерно-геологическое обоснование условий разработки месторождений» (Н. Тагил, 1977); «Оптимизация природной среды» (МФГО, Москва, 1981); «Изучение инженерно-геологических условий месторождений Урала различных генетических типов» (Свердловск, 1983); «Проблемы инженерной геологии в связи с промышлепио-гражданским строительством и разработкой месторождений полезных ископаемых» (Свердловск, 1984); «Вопросы охраны природы при разработке месторождений Урала» (Свердловск, 1984); «Вопросы инженерно-геологических и гидротеологических исследований в Уральском регионе» (Свердловск, 1985); «Влияние добычи полезных ис-
копаемых на окружающую среду» (ЮНЕП/ЮНЕСКО, Таллинн, 1986); «Гидрогеология, инженерная геология и охрана окружающей среды месторождений твердых полезных ископаемых» (Свердловск, 1986); «Инженерно-геологические исследования и оценка техногенного подтопления в Уральском регионе», (Свердловск, 1986); «Эффективные методы инженерно-геологических исследований Урала» (Пермь, 1986); «Современные проблемы инженерной геологии и. гидрогеологии территорий городов и городских агломераций» (Одесса, 1987); «Новые методы поисков, разведки и анализа .месторождений полезных ископаемых в связи с комплексным изучением недр Западного Урала» (Пермь, 1987); «Методы оценки напряженного состояния массивов горных пород при разработке месторождений Урала» (Североуральск, 1988); конференция НТП-90 НТО «Центртеологня» (Москва, 1990) п др.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 30 основных научных трудов, в том числе одна монография (в соавторстве).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 300 стр., включая 67 рисунков, 16 таблиц и список литературы— 139 названий. Основной объем работы можно условно подразделить на три части: 1—экспериментальные и теоретические исследования по оценке техногенных изменений среды с использованием геофизики, разработка геолого-теофизи-ческой модели, ее верификация, примеры; 2 — прогнозное районирование, соответствующее используемой модели техногенных изменений геологической среды; 3 — обсуждение результатов прогноза.
Автор благодарит М. Н. Бучкпна, 3. Г. Устинову, Л. П. Грибанову, М. Э. Аронзон, С. В. Николаева, Ю. А. Михайлова и других товарищей по совместной работе на Урале., Особенно большую помощь оказал М. Н. Бучкин, материалы кандидатской диссертации которого помогли автору справиться с огромным объемом работы по оценке техногенных изменений геологической среды Урала.
Автор признателен уральским геологам И. А. Печеркину, С. Г. Дубейковскому, А. Л. Алейникову, С. В. Палкішу, Е. М. Ананьевой, Т. К. Костеровой, А. Д. Морозову, А. А. Арзамасцеву, оказавшим большую помощь в работе.
